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材料的热膨胀 一 热膨胀的本质 定义 通常是指外压强不变的情况下 大多数物质在温度升高时 其体积增大 温度降低时体积缩小的现象 材料热膨胀的本质 在于晶格点阵实际上在作非简谐振动 晶格振动中相邻质点间的作用力实际上是非线性的 点阵能曲线也是非对称的 原子间相互作用的势能曲线 二 热膨胀系数 定义 在等压 p一定 下 单位温度变化所导致的体积变化 即热膨胀系数 线膨胀系数 L L T 式中 L为所给长度变化 T下物体温度的改变 L为初始长度 S为所给面积变化 T下物体温度的改变 S为初始面积 V为所给体积变化 T下物体温度的改变 V为初始体积 面膨胀系数 S S T 体膨胀系数 V V T 部分材料的线性膨胀系数 某些无机材料的热膨胀系数与温度之间的关系 无机材料的线膨胀系数一般都不大 三 影响热膨胀的因素 1 合金成分对热膨胀的影响 组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀的影响极为明显 固溶体中加人膨胀系数大 的溶质元素时 膨胀系数增大 反之 加人溶质元素的膨胀系数较小时 固溶体的膨胀系数减小 l Cu Au合金膨胀系数 rE 2 相变对热膨胀的影响 当金属和合金发生一级或二级相变时 其膨胀量和膨胀系数都会发生变化 一级相变 金属与合金中的大多数相变都属于一级相变 一级相变的特征是能量 体积和晶体结构的不连续变化 即是转变将伴随比容的突变 相应的膨胀系数将有不连续的变化 其转变点处a将为无限大 二级相变 相变时两相的化学势相等 相变时虽然没有体积的不连续变化 但仍存在膨胀系数的不连续变化 属于二级相变的磁性转变和有序无序转变 在其相变处膨胀系数温度曲线上有折点 实际晶体中总是含有某些缺陷 它们在室温处于 冻结 状态 但它们可明显地影响晶体的物理性能 Timmesfeld等人研究了空位对固体热膨胀的影响 由空位引起的晶体附加体积变化为 V BV0exp Q kT 式中 Q是空位形成能 B是常数 V0是晶体0k时的体积 k是玻耳兹曼常数 T是温度 K 这里的空位可以由辐射或高温淬火产生 3 晶体缺陷对热膨胀的影响 4 晶体各向异性对热膨胀的影响 由于晶体结构的不对称性 在不同的晶轴上产生不相等的热膨胀 所以晶体的热膨胀量也需要用六个独立的参数来表征 固体中热膨胀的各向异性可以定性地从原子间结合力的强弱来说明 在非立方晶系中 特别是在具有一次轴对称的晶系中 平行于轴向和垂直于轴向的原子间结合力差别甚大 若在某一个方向上结合力较其它方向为小 则晶体首先在该方向上受到热激发 因
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